vw-resto

Neben Antriebsstrang und Fahrzeugaufbau gehört das Fahrwerk zu den Hauptbestandteilen des Autos. Es besteht aus Reifen, Felgen, Radträger, Radlager, Bremse, Radaufhängung, Achsträger, Federung, Stabilisator, Dämpfung, Lenkgetriebe, Lenkgestänge, Lenksäule, Fußhebelwerk, Aggregatelagerung und Fahrwerksregelsystem. Wo man Achsgetriebe und Antriebswellen zuordnet ist schon fast zweitrangig, tendenziell sehe ich diese eher im Antriebsstrang. Wo diese Schnittstelle definiert wird ist egal, wichtig ist, dass sie definiert wird! Man beachte des weiteren, dass sich mittlerweile um einzelne Bauteile ganze Systeme Entwickelt haben bzw. dies garantiert passieren wird. Als Beispiel sei das Lenkrad genannt. Aus einem einfachen, meist kreisrunden Teil wurde ein haptischer und optischer Erguss aus Leder, Aluminium und hochwertigen Kunststoffen in Kombination mit einem Rückhaltesystem (Airbag) und Integration der HMI im Sinne der Fahrzeug- und Multimedia-Schnitstelle (HMI = Human Machine Interface).

Das Fahrwerk stellt grundsätzlich die Verbindung des Fahrzeugs zur Straße dar und realisiert alle Hauptfunktionen, die zum Führen des Fahrzeuges erforderlich sind, wie z.B. Antriebsmoment übertragen, Bremsen, Kupplung und Gas betätigen, Lenken, Federn und Dämpfen in korrelation zu den Fahrwiderständen bzw. zur Fahrsituation. Das wichtigste Kriterium für das Fahrwerk ist, dass der Kontakt zwischen Fahrzeug und Fahrbahn am Reifenlatsch niemals unterbrochen wird. Sonst wäre keine Führung, Beschleunigung, Bremsung und Seitenkraftübertragung möglich. Wenn die Fahrbahn ohne Hindernisse immer geradeaus führen würde, immer trocken und griffig wäre, es keine Unebenheiten und keine externen Einflüsse gäbe, würde dieses Kriterium sehr einfach einzuhalten sein. Wie jeder weiss, gibt es diese ideale Situation leider nirgendwo auf der Erde. Lediglich ein paar Orte weisen vorübergehend halbwegs konstante Parameter auf, die jedoch in aller Regel wieder Extreme der Natur oder eben nicht die Ideale darstellen (z.B. Salzsee-Wüste, Eis-Seen, Hochgebirge/-Plateaus, England, etc.). Doch genau aus diesem Grunde werden Fahrzeuge in diesen nicht-idealen Regionen abgestimmt.

Servolenkung

Mit dem Begriff Servolenkung bringt man schnell leichtes, gefühlsarmes Lenken mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch in Verbindung. Bis weit in die 90er Jahre hinein war dies leider auch der Fall. In den Anfängen des Automobils gabs es keine nennenswerte Servolenkung. Doch was ist eine Servolenkung? Per Definition ist sie nichts anderes als eine in der Lenkkraft unterstützende mechanische Lenkung. Warum braucht man eine Servolenkung? Nun, ehrlich gesagt, benötigen bestimmte Fahrzeugtypen keine Servolenkung. Auf der anderen Seite hat sich die Entwicklung der Fahrzeuge und der Gesetzesanforderungen dahingehend entwickelt, dass man heute schon fast nicht mehr drum rum kommt sie zu verbauen. Sie wird benötigt, um die erforderlichen Lenkkräfte gering zu halten. Die Lenkkräfte hängen u.a. direkt vom Fahrzeuggewicht (speziell in Bezug auf die gelenkte Achse und Position des Motors), der Reifenbreite sowie der Achsgeometrie und der Fahr-Geschwindigkeit ab. Der Name ist analog des Servoantriebs vom latainischen servus für Diener oder Sklave abgeleitet. Warum man die Servolenkung zum heutigen Stand weiterentwickelt hat, soll der folgende Abriss der Technik beschreiben.
In den 1920er Jahren wurden die ersten Konzepte zu Servolenkungen mit hydraulischen Hilfsantrieb vorgestellt. Bis heute ist dieses Grundprinzip identisch im Einsatz. Durch Patentschutz und die nicht vorhandene Forderung nach Lenkkraftunterstützung wurde hier seinerzeit nicht viel Entwicklungsarbeit geleistet. Erst in den 50er Jahren, nach ausgelaufenem Patentschutz, wurden die ersten Servolenkungen in schweren Ami-Schlitten serienmäßig verbaut. Die Technik war simpel und entsprechend gefühllos. Die hydraulische Unterstüzungseinrichtung war einfach auf die vorhandene Zahnstangenlenkung montiert, die Ventiltechnik war extern angeordnet.
In den 1970er jahren wurde dem technologischen Fortschritt folgend die Integration von Zylinder und Ventiltechnik in das Lenkgehäuse möglich.
Die hydraulische Leistung wird bei diesen Systemen immer durch eine über den Keilriemen angetriebene Pumpe erzeugt. Dieses System wird in aller Regel nach dem Prinzip der "hydraulisch offenen Mitte" ausgeführt. Erst bei laufendem Motor wird der dann erzeugte Öl-Volumenstrom zum Steuerventil befödert. In Neutralstellung gelangt er nahezu drucklos in den Öl-Behälter des Lenksystems zurück. Aus diesem wird das Öl erneut angesaugt. Der Arbeitsdruck beträgt im Regelfall um 130bar. Frühe Versuche in den 70ern bzw. Serienanwendungen erreichten auch 150bar, jedoch wurde damals aus Kostengründen dieses Druckniveau nicht weiter benutzt. Da der Volumenstrom linear mit der Motordrehzahl, und damit die Leistungsaufnahme, steigt, ist der Gesamt-Wirkungsgrad denkbar schlecht. Denn im Regelfall sind die benötigten Lenkkräfte bei höherer Geschwindigkeit wesentlich kleiner. Die Lenkkraftunterstützung wird jedoch bei geringer Fahrgeschwindigkeit benötigt. Durch die Tatsache, das diese Art Servolenkung seit Jahrzehnten im Einsatz ist, existiert ein breites Grundlagen- und Abstimm-Wissen. Weiterentwicklungen gab es bei der Ventiltechnik, den Herstellverfahren und der Gesamtintegration in die Lenkung bzw. das Fahrzeug. Die Leistungsabnahme beträgt je nach Fahrzeug und Entwicklungsgeneration zwischen 5 und 8kW. Während man in den 80ern für sportliche Fahrzeuge die mechanische Lenkung mit einer variablen Übersetzung (Evolventenverzahnung) ausstattete, um ein bei hohen Fahrgeschwindigkeiten weiches, nicht zu spontanes Anlenkverhalten aus der Mittellage heraus zu erzeugen, wird heute über elektro-hydraulische-proportional-Ventiltechnik mit Rückführung (LoadSensing) und der elektrischen Steuerung mit der Fahrgeschwindigkeit als Hauptparameter zur Abstimmung verwendet. Dieses, als Servotronic bekanntes, System lässt sich dabei sehr frei und fein abstimmen.
Seit Mitte der 90er Jahre wird das elektro-hydraulische System eingesetzt. Hierbei wird die Pumpe über einen Elektromotor angetrieben und ist damit unabhängig vom Betriebszustand des Motors. Sollte keine Lenkkraftunterstüzung notwendig sein, so wird nahezu keine Leistung dafür verbraucht. Die Ansteuerung des Elektromotors ist nun parametrierbar und an jedes Fahrzeug noch individueller anpassbar. Typische Vertreter dieser Art verbrauchen 40-70% weniger Energie als rein hydraulische Versionen.
Die elektro-hydraulische Servolenkung kann aufgrund Ihrer elektrisch-begrenzten Lenkleistung nur für Fahrzeuge bis zur unteren Mittelklasse verendet werden. Höhere Lenkleistungen in der Mittel und Oberklasse werden rein hydraulisch erzeugt. Hier kommen zur Effizienzsteigerung Verstell-Pumpen zum Einsatz.
Bei der elektromechanischen Servolenkung wird die Servowirkung durch ein elektrisch arbeitendes System erzeugt. Diese beruht auch auf einer Zahnstangenlenkung sodass viele bewährte mechanische Bauteile analog hydraulischer Servolenkungen ausgeführt werden können. Hierbei erzeugt ein Elektromotor das Servomoment und überträgt über ein mechanisches Getriebes seine Leistung auf die Zahnstange. Über das vom Fahrer am Lenkrad ausgeübte Lenkmoment und vom Drehmoment/Drehwinkelsensor sensierte Signal wertet das Lenksäulensteuergerät die benötigte Lenkkraftunterstüzung aus und der Elektromotor wird entsprechend angesteuert. Der Elektromotor überlagert dabei das durch den Fahrer aufgebrachte Lenkmoment. Dies erlaubt ein sehr genaues abstimmen je nach Ausstattungsvariante oder Derivat, während der Fahrt eine Programmumschaltung z.B. von Komfort auf Sport als auch ein autonomes Fahren in Form eines Parkassistenten.
Die elektromechanische Lenkung ist aufgrund der benötigten elektrischen Leistung auch auf die Mittelklasse als größte Anwendung beschränkt. Es gibt mehrere Systemlösungen der EPS, wobei das Grundprinzip immer identisch ist. Lediglich die Anordnung des Elektromotors und des Steuergeräts variiert hierbei aufgrund verschiedenster Package anforderungen. Selbstredend stellt dies einen hochwertigen Entwicklungaufwand dar, jedoch bietet es keinerlei direkt funktionelle Vorteile für den Fahrer. Allerdings indirekt über höhere Leistungsdichte (Fahrzeuggewicht!) und besseres Package lässt sich das Gesamt-Fahrzeugkonzept besser gestalten. Neue Funktionsumfänge sind so problemlos darstellbar (z.B. aktive Lenkungsrückstellung, aktive Fahrimpulse/Lenkeingriffe, ESP Unterstützung, einstellbare Dämpfungscharakteristik, aktive Fahrtrichtungsstabilisierung/Spurassistent, etc.). Mit diesem Lösungsansatz ist grundsätzlich der Weg zum Steer-by-Wire vorhanden. Der Gesetzgeber verlangt hier jedoch eine mechanische Verbindung von Lenkrad zu Lenkgetriebe. Die Technik dazu kommt wie eh und je von bewährten Lieferanten wie ZF, Bosch, TRW und Co. Die Fahrzeughersteller bieten die Plattform zum testen und äußern Ihre Wünsche, manchmal gibt es aus der Hauseigenenvorentwicklung Innovationen die der Lieferant umsetzt und u.U. später auch an andere vermarkten darf. Die Abstimmung erfolgt sowohl beim Lieferanten als auch beim OEM, wobei dieser selbstredend die Hoheit hat.
Für die ewig-gestrigen und absoluten Technikverweigerer bleibt also nicht mehr viel Luft übrig. Mehr Sicherheit, geringerer Ressourcen-Verbrauch, bessere Adaptierbarkeit, umweltfreundlicher durch Entfall von Hydrauliköl, etc. sind mehr als Genug gründe für elektrische Servolenkungen. Man darf halt nicht vergessen, Ohne Innovation wären wir nicht da wo wir sind, ohne Innovation gäbe es keinen Grund etwas neu zu entwickeln. Natürlich funktioniert das alte Zeug auch, aber eben nicht so wie das neue respektive zu welchem Preis?

Abkürzungen zur Servolenkung

hydraulisch angetrieben
HPS - Hydraulic Power Steering
Die Hydraulikpumpe ist direkt vom Motor angetrieben.

elektro-hydraulisch angetrieben
EHPS - Electric-Hydraulic Power Steering
Ein elektromotor treibt die Hydraulikpumpe unabhängig vom Motor an.

elektrisch angetrieben
EPS - Electric Power Steering
Ein Elektromotor (Servomotor) stellt die notwendige Kraft direkt aufs Lenkgetriebe zur Verfügung.

C-EPS - Column-Electric Power Steering
Positionierung der Servoeinheit an der Lenksäule (Lenksäulenantrieb), z.B. japanische Kleinwagen, BMW Z4

P-EPS - Pinion-Electric Power Steering
Positionierung der Servoeinheit direkt am Lenkgetrieberitzel (Ritzelantrieb), Package-Problematisch, z.B. MINI
Alternativ Positionierung der Servoeinheit über ein zweites Lenkgetrieberitzel (Doppelritzelantrieb), z.B. Golf V, Passat B6 und deren Derivate (PQ35/PQ46-Plattform)

R-EPS - Rack-Electric Power Steering
Positionierung der Servoeinheit achs-parallel oder konzentrisch um die Zahnstange
Die Positionierung ist ähnlich der des Doppelritzelantriebs, jedoch erfolgt die Kraftübertragung über Vorsatzgetriebe und Kugelumlaufgetriebe bzw. über Kugelumlaufgetriebe und Röhrenmotor direkt auf die Zahnstange.

Reifen & Felgen

Ein Standart-Thema das auch hier nicht zu kurz kommen soll

Reifengrößenaufschlüsselung

Man mag es kaum glauben, aber die Aufschlüsselung der Reifengröße ist nach wie vor für Viele ein Buch mit sieben Siegeln. Eigentlich sollte dies als Pflichtkurs in der Grundschule gelehrt werden...

Hier eine Übersicht zur Aufschlüsselung der Reifengrößenangabe, folgend sei ein klassischer 08/15 Reifen genannt:

175 / 65 R 14 82 H

Dabei bedeuten die einzelnen Werte nach ETRTO folgendes:

... 175 ist die Breite des Neureifens auf der Meßfelge und einem Meßluftdruck von 1,8bar
... / ist ein Trennzeichen
... 65 ist das Querschnittsverhältnis in %, kann bei Angabe 82 entfallen oder durch 80 ersetzt werden
… R bedeutet Radial, D bedeutet Diagonal
... 14 ist der (Nenn-)Felgendurchmesser angegeben in Zoll ( " )
... 82 ist der Lastindex, hier ist die maximale Tragfähigkeit 475 kg gültig bei 2,5bar und 160km/h
... H ist der Geschwindigkeitsindex, hier max. 210km/h

Und hier ein klassisches Verwirr-Beispiel:

155 S R 13

Grundsätzlich analog zu behandeln wie zuvor:

... 155 ist die Breite des Neuereifens
... mit Querschnittsverhältnis 82 da ohne Angabe
... S ist der Geschwindigkeitsindex (max. 180km/h)
... R bedeuted radiale Bauart
... 13" Felgendurchmesser

Sollte kein Querschnitt benannt sein, dann ist es immer 80 bzw. 82 je nach Standart (80 ersetzt völlig 82)

Abhängigkeit von Reifendruck zu Radsturz

Ein Reifen kann nur bei geringem Radsturz voll belastet werden. Ein Radsturz von 2-3° reduziert die Reifenbelastbarkeit auf 95%, bei 3-4° auf 90%. Ein Ausgleich kann durch Druckerhöhung erfolgen. Radsturzwerte bis 2° können durchaus im Rahmen der Toleranz liegen bzw. Einstellwert sein. Hier eine Übersicht über die notwendige Druckerhöhung bei einem Radsturz über 2° in Schritten von 20 Gradminuten:

Sturz – Druckerhöhung
2°20' – 2,1%
2°40' – 4,3%
3° - 6,6%
3°20' – 9,0%
3°40' – 11,5%
4° - 14,1%

Einpresstiefe

Hier eine kurze Erklärung zur Einpresstiefe:

Die Einpresstiefe ist ein Maß, daß den Abstand von der theoretischen Mittenebene der Felge auf die reale Anschraubebene angibt. Ein Abstand zur Fahrzeuglängsachse (bildlich zum Dämpfer hin) wird negativ angegeben, ein Abstand nach Außen (bildlich vom Dämpfer weg) wird positiv angegeben. Heutige Felgen auf Großserienfahrzeugen haben Einpresstiefen von etwa -50mm bis -25mm. Bei dieser Konfiguration verschwindet die Felge im Radhaus und die Achse an sich kann breiter bauen, d.h. mehr Platz für Aggregate, Bremse und Kofferraum.

Shore-Härte

Die Shore-Härte ist eine Kennzahl die vorwiegend für Elastomere und gummielastische Polymere eingesetzt wird. Namensgeber sind Albert Shore, der Anfang des 20.Jahrhunderts die Shore Instruments Inc. in NewYork gründete und sein Sohn und Fred Shore, der das Unternehmen weiterführte bis es verkauft wurde. Die Shore Härte steht in direkter Beziehung zur Eindringtiefe und ist demnach ein Maß für die Werkstoffhärte. Man unterscheidet zwischen den Verfahren Shore A, C und D. Als Eindringkörper wird ein federbelasteter Stift aus gehärtetem Stahl verwendet. Bei diesen Verfahren wird der Körper mit Federkraft in den Prüfkörper gedrückt und die Eindringtiefe stellt ein Maß für die Shore-Härte dar. Heute ist die Härte in den Normen DIN 53505 [Prüfung von Kautschuk und Elastomeren – Härterprüfung nach Shore A und D], DIN EN ISO 868 [Kunststoffe und Hartgummi – Bestimmung der Eindruckhärte mit einem Durometer (Shore-Härte)], ISO/DIS 7619-1 [Elastomere und thermoplastische Elastomere – Bestimmung der Härte – Teil 1: Durometer-Verfahren (Shore-Härte)] festgelegt.

schematischer Versuchsaufbau des Härteprüfgeräts


Für die Bestimmung der Shore-Härte A und C wird als Körper ein Kegelstumpf mit einer Stirnfläche von 0,79 mm im Durchmesser und einem Öffnungswinkel von 35° verwendet. Bei der Shore-Härte D-Prüfung wird als Indenter ein Kegelstumpf mit einer kugelförmigen Spitze mit einem Radius von 0,1 mm und einem Öffnungswinkel von 30° benutzt. Bei dem Shore-Härteprüfverfahren wird eine Zusatzeinrichtung eingesetzt, die den zu vermessenden Prüfkörper mit einer Anpresskraft von (12,5 ± 0,5) N bei Shore A bzw. (50 ± 0,5)N bei Shore D stoßfrei auf die Auflage des Messtisches drückt.

Schematischer Versuchsablauf für die Härteprüfung Shore A /Shore D


Für die Ermittlung der Shore-Härtekennwerte wurde eine Skala eingeführt, die von 0 Shore (2,5 mm Eindringtiefe) bis 100 Shore (0 mm Eindringtiefe) reicht. Dabei entspricht der Skalenwert 0 dem maximal möglichen Eindruck, d.h. der Werkstoff setzt dem Eindringen des Körpers keinen Widerstand entgegen. Dagegen entspricht der Skalenwert 100 einem sehr hohen Widerstand des Werkstoffs gegenüber dem Eindringen und es wird praktisch kein Eindruck erzeugt.

Die Shore-Härte A findet für Weichgummi und die Shore-Härte C und D für Elastomere und auch weiche Thermoplaste Anwendung. Bei der Bestimmung der Shore-Härte spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle, so dass die Messungen in einem eingeschränkten Temperaturintervall von 23° ± 2K normgerecht durchgeführt werden müssen. Die Dicke des Prüfkörpers sollte mindestens 6mm betragen. Die Härte ist 3s nach der Berührung zwischen der Auflagefläche des Härteprüfgerätes und des Prüfkörpers abzulesen. Bei Prüfkörpern mit deutlichen Fließeigenschaften kann die Härte auch nach 15s abgelesen werden.

Zwischen den Verfahren Shore A und D gibt es eine Möglichkeit zur Umrechnung. Dieser Zusammenhang wird von der Körpergeometrie und der Belastungshöhe beeinflusst, wodurch die Abhängigkeiten stark nichtlinear werden.


Bild: Theoretischer Zusammenhang zwischen Shore-A- und Shore-D-Härte (nach K. Tobisch)

Beispiele der Shore-Härte

Shore Härte für Thermoplaste

Härtewerte entsprechend VDI2616-2 (VDI Handbuch Werkstofftechnik) wobei
> = Härte des Werkstoffes ist größer, als mit diesem Verfahren quantifizierbar
< =Härte des Werkstoffes ist kleiner, als mit diesem Verfahren quantifizierbar